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JP2021139998A - 光モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】放熱効率を向上すること。【解決手段】光モジュールは、筐体に収納され、貫通孔１３０ａが形成される基板１３０と、基板１３０の貫通孔１３０ａを含む領域に接着される金属板１５１と、金属板１５１の一方の面に搭載され、貫通孔１３０ａの内部に配置される部品１５３、１５４、１５５、１５６と、金属板１３０の他方の面に配置され、部品１５３、１５４、１５５、１５６において発生する熱を前記筐体まで伝達する熱伝導部材２２０とを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、光モジュールに関する。
近年、ラック型の光伝送装置に挿抜可能であるプラガブル（pluggable）な光モジュールの開発が盛んである。このような光モジュールは、例えばＴＯＳＡ（Transmitter Optical Sub Assembly）と呼ばれる送信部とＲＯＳＡ（Receiver Optical Sub Assembly）と呼ばれる受信部とを備えることがある。ＴＯＳＡ及びＲＯＳＡは、光変調器及びＰＤ（Photo Diode）などの光素子を例えば箱型の金属パッケージ内に集積して形成されることがあるが、最近では装置の小型化や通信の高速化などの要求から、光素子を基板に直接実装して形成されることも多くなっている。
光モジュールは、光伝送装置のポートに挿入されて接続されると、例えば光変調器及びＤＳＰ（Digital Signal Processor）などの発熱部品が発する熱を、光伝送装置に設けられたヒートシンクを介して放熱する。
特開２０１５−００１５６３号公報 特開２０１９−１９１２８１号公報
しかしながら、従来の光モジュールでは、ヒートシンクまでの熱の伝達経路を十分に確保することが困難であり、放熱効率が悪いという問題がある。具体的には、箱型の金属パッケージのＴＯＳＡ及びＲＯＳＡの場合、金属パッケージとヒートシンクの間に例えば熱伝導ジェルを充填して金属パッケージから放熱することが可能であるが、基板上における金属パッケージの実装位置の柔軟性が低いため、金属パッケージとヒートシンクの位置関係が適切であるとは限らない。このため、金属パッケージの実装位置によっては、例えば熱伝導ジェルを用いても金属パッケージとヒートシンクを接続する熱の伝達経路が形成されず、放熱効率が悪くなる。
また、金属パッケージを基板に実装する場合には、例えばＤＳＰなどの他の電子部品のための実装面積が縮小されるため、主基板とは異なるサブ基板が電子モジュール内に設けられることがある。このような場合、主基板上の各種の電子部品とヒートシンクの間がサブ基板によって遮断され、主基板上の電子部品からヒートシンクまでの熱の伝達経路を形成することが困難となる。このように、光素子を金属パッケージ内に集積してＴＯＳＡ及びＲＯＳＡを形成する場合には、光モジュールの放熱効率を良好に保つことが困難である。
一方、光素子を基板に直接実装してＴＯＳＡ及びＲＯＳＡを形成する場合には、基板上に実装されるレンズ及びフェルールなどの光学部品や光導波路が金属パッケージなどによって保護されることなく露出する。そして、光学部品には高い位置精度が求められ、光導波路は応力に対する強度が小さいため、基板上の電子部品とヒートシンクの間に例えば熱伝導ジェルを充填することは現実的ではない。したがって、基板上の電子部品で発生する熱は、熱伝導率があまり高くない基板へ伝達され、放熱が促進されない。
開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、放熱効率を向上することができる光モジュールを提供することを目的とする。
本願が開示する光モジュールは、１つの態様において、筐体に収納され、貫通孔が形成される基板と、前記基板の貫通孔を含む領域に接着される金属板と、前記金属板の一方の面に搭載され、前記貫通孔の内部に配置される部品と、前記金属板の他方の面に配置され、前記部品において発生する熱を前記筐体まで伝達する熱伝導部材とを有する。
本願が開示する光モジュールの１つの態様によれば、放熱効率を向上することができるという効果を奏する。
図１は、一実施の形態に係る光モジュールの構成を示す図である。 図２は、一実施の形態に係る光モジュールの要部構成を示す図である。 図３は、図２のＩ−Ｉ線断面を示す模式図である。 図４は、図２のII−II線断面を示す模式図である。 図５は、送信部作成工程を示す図である。 図６は、送信部嵌合工程を示す図である。 図７は、送信部の実装の具体例を示す図である。
以下、本願が開示する光モジュールの一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
図１は、一実施の形態に係る光モジュール１００の構成を示す斜視図である。図１においては、光モジュール１００の筐体の一部を切り欠いて、内部構成を図示している。図１に示す光モジュール１００は、プルタブ１１０及び筐体１２０を有する。筐体１２０の内部には、基板１３０が収納され、ＤＳＰ１４０、ＴＯＳＡ１５０及びＲＯＳＡ１６０が基板１３０に実装されている。
プルタブ１１０は、ラック型の光伝送装置に光モジュール１００を挿抜する際に、ユーザが把持する把持部である。プルタブ１１０の長手方向の一端には、基板１３０を内蔵する筐体１２０が接続されている。
筐体１２０は、基板１３０及び基板上の各種部品を内蔵する金属製のケースである。図１においては、筐体１２０の一面を切り欠いて、内部の基板１３０、ＤＳＰ１４０、ＴＯＳＡ１５０及びＲＯＳＡ１６０を図示している。筐体１２０の長手方向の一端には、プルタブ１１０が接続されている。光モジュール１００がラック型の光伝送装置に挿入される際には、筐体１２０のプルタブ１１０とは反対側の端部からポートに挿入される。この端部においては、基板１３０の先端の端子部が筐体１２０から露出する。
基板１３０は、筐体１２０に収納され、各種の電子部品及び光学部品を実装する回路基板である。後述するように、基板１３０には貫通孔が設けられており、ＴＯＳＡ１５０の一部が貫通孔の内部に配置される。基板１３０の先端は、筐体１２０から露出し、光モジュール１００がラック型の光伝送装置に挿入された際に、光伝送装置と電気的に接続する端子となる。なお、基板１３０は、表層のみではなく内層にも配線を有する多層基板であっても良い。
ＤＳＰ１４０は、基板１３０に実装される電子部品の１つである。ＤＳＰ１４０は、ＴＯＳＡ１５０によって光信号に変換される送信信号を生成したり、ＲＯＳＡ１６０によって電気信号に変換された受信信号を復調したりする。ＤＳＰ１４０は、高速で信号処理を実行する電子部品であるため、比較的発熱量が大きい発熱部品である。
ＴＯＳＡ１５０は、光源、光変調器及び光学部品を備え、光源が発する光を光変調器によって光変調し、得られた光送信信号を光学部品によって光ファイバへ送出する。ＴＯＳＡ１５０は、処理負荷が大きい光変調器を備えるため、比較的発熱量が大きい発熱部品である。このため、ＴＯＳＡ１５０の底部を構成する金属板には、放熱シートが貼付され、さらに放熱シートと光伝送装置のヒートシンクとの間に例えば熱伝導ジェルなどの熱伝導部材が配置される。ＴＯＳＡ１５０の具体的な構成については、後に詳述する。
ＲＯＳＡ１６０は、光電変換するＰＤを備え、光ファイバから入力される光受信信号を電気の受信信号に変換する。そして、ＲＯＳＡ１６０は、電気の受信信号をＤＳＰ１４０へ出力する。ＲＯＳＡ１６０が備えるＰＤの処理負荷が比較的小さいため、ＲＯＳＡ１６０の発熱量はＴＯＳＡ１５０の発熱量に比べて小さい。
図２は、光モジュール１００の要部構成を示す斜視図である。図２においては、基板１３０の一面に実装される部品を図示している。
図２に示すように、ＤＳＰ１４０の上面には例えば熱伝導ジェルなどの熱伝導部材２１０が配置され、ＴＯＳＡ１５０の上面にも例えば熱伝導ジェルなどの熱伝導部材２２０が配置される。なお、ここでは、基板１３０からＤＳＰ１４０へ向かう方向を上方向として、熱伝導部材２１０、２２０がそれぞれＤＳＰ１４０及びＴＯＳＡ１５０の「上面に配置される」というが、光モジュール１００は、必ずしも基板１３０からＤＳＰ１４０へ向かう方向が上方向となる姿勢で使用されなくても良い。すなわち、光モジュール１００は、任意の姿勢で使用されて良く、例えば基板１３０からＤＳＰ１４０へ向かう方向が下方向となる姿勢で使用されても良い。
熱伝導部材２１０、２２０は、発熱量が比較的大きい発熱部品であるＤＳＰ１４０及びＴＯＳＡ１５０の上面に配置される。具体的には、熱伝導部材２１０、２２０は、発熱部品の上面と、光伝送装置のヒートシンクに接触する金属製の筐体１２０とを接続するように配置される。これにより、熱伝導部材２１０、２２０が発熱部品において発生する熱の伝達経路となり、発熱部品において発生する熱は、熱伝導部材２１０、２２０及び筐体１２０を経由してヒートシンクへ伝達され放熱される。なお、熱伝導部材２１０、２２０は、例えば熱伝導率が高いフィラーを含有するシリコーンなどを材料とする熱伝導ジェルであっても良いし、ＴＯＳＡ１５０の底部を構成する金属板と同様の金属であっても良い。
ＴＯＳＡ１５０は、金属板に光学部品や光変調器を搭載して形成される。ここで、金属板に搭載される光学部品や光変調器は、基板１３０に形成される貫通孔の内部に配置される。すなわち、金属板の上面には熱伝導部材２２０が配置され、金属板の下面には光学部品及び光変調器が搭載されて、これらの光学部品及び光変調器は、基板１３０の貫通孔の内部に配置される。つまり、図２においては、金属板の下面が部品搭載面である。
図３は、図２のＩ−Ｉ線断面を示す模式図である。図３に示すように、基板１３０には貫通孔１３０ａが形成される。基板１３０の上面には、ＤＳＰ１４０が実装され、ＤＳＰ１４０の上面には熱伝導部材２１０が配置される。また、基板１３０の下面には、比較的低速で動作し、発熱量が小さい電子部品１７０が実装される。すなわち、発熱部品であるＤＳＰ１４０は、光伝送装置のヒートシンクがある基板１３０の上面側に配置され、ＤＳＰ１４０とヒートシンクに接触する金属製の筐体１２０とが熱伝導部材２１０によって接続される。これにより、ＤＳＰ１４０において発生する熱は、熱伝導部材２１０を伝達され、筐体１２０及びヒートシンクから放熱される。換言すれば、ＤＳＰ１４０において発生する熱の放熱効率を向上することができる。
ＴＯＳＡ１５０は、金属板１５１を底部に有し、金属板１５１の部品搭載面である下面にレンズ及びフェルールなどの光学部品１５３、光変調器１５４、ＬＤ（Laser Diode）などの光源１５５及びドライバ１５６を搭載する。そして、ドライバ１５６から供給される送信信号によって、光源１５５が発する光を光変調器１５４が光変調し、得られた光送信信号を光学部品１５３が光ファイバへ送出する。光学部品１５３、光変調器１５４及び光源１５５が金属板１５１に搭載されることにより、これらの部品の位置関係を高精度に維持することができ、光接続損失を低下させることができる。金属板１５１としては、例えば熱伝導性が高い銅タングステン又は銅モリブデンなどの銅合金を用いることができる。
金属板１５１の部品搭載面に搭載された光学部品１５３、光変調器１５４、光源１５５及びドライバ１５６は、基板１３０に形成された貫通孔１３０ａの内部に配置される。そして、金属板１５１の厚さを調節することにより、ドライバ１５６の下面の高さは、基板１３０の下面と略同一の高さとされており、ドライバ１５６は、ワイヤ１５７によって基板１３０にワイヤボンディング接続されている。このため、ドライバ１５６と基板１３０を接続するワイヤ１５７の長さを例えば１００〜３００μｍ程度と短くすることができ、ＴＯＳＡ１５０と基板１３０の間での電気信号の伝送特性劣化を抑制することができる。
一方、金属板１５１の部品搭載面と反対側の面には放熱シート１５２が貼付され、放熱シート１５２の上面に熱伝導部材２２０が配置される。熱伝導部材２２０の上面は、熱伝導部材２１０の上面と同様に金属製の筐体１２０に接触し、主に光変調器１５４及びドライバ１５６において発生する熱は、金属板１５１、放熱シート１５２及び熱伝導部材２２０を伝達され、筐体１２０及びヒートシンクから放熱される。換言すれば、ＴＯＳＡ１５０において発生する熱の放熱効率を向上することができる。
図４は、図２のII−II線断面を示す模式図である。図４に示すように、ＴＯＳＡ１５０の底部を構成する金属板１５１は、基板１３０の貫通孔１３０ａを含む領域に接着され、金属板１５１の下面に搭載される光学部品１５３、光変調器１５４及び光源１５５が貫通孔１３０ａの内部に配置される。一方、ＲＯＳＡ１６０の底部を構成する金属板１６１は、基板１３０に形成される凹部１３０ｂに接着され、金属板１６１の上面にＰＤなどの光学部品１６２が実装される。また、金属板１６１及び光学部品１６２は、蓋部材１６３によって覆われて保護される。このように、ＴＯＳＡ１５０は、金属板１５１の下面を部品搭載面とする一方、ＲＯＳＡ１６０は、金属板１６１の上面を部品搭載面とすることにより、ＴＯＳＡ１５０及びＲＯＳＡ１６０の配線間の距離が大きくなる。結果として、ＴＯＳＡ１５０及びＲＯＳＡ１６０間のクロストークを低減することができる。
なお、ＲＯＳＡ１６０は、必ずしも基板１３０の凹部１３０ｂに配置されなくても良いが、ＲＯＳＡ１６０を凹部１３０ｂに配置し、金属板１６１の厚さを調節することにより、光学部品１６２と基板１３０の表面との高さを揃えることができる。この結果、光学部品１６２と基板１３０を接続するワイヤの長さを短くすることができ、ＲＯＳＡ１６０と基板１３０の間での電気信号の伝送特性劣化を抑制することができる。
次に、一実施の形態に係る光モジュール１００の製造方法について説明する。
まず、送信部であるＴＯＳＡ１５０及び受信部であるＲＯＳＡ１６０がそれぞれ作成される。すなわち、ＴＯＳＡ１５０及びＲＯＳＡ１６０の底部を構成する金属板１５１、１６１に、それぞれ部品が搭載される。具体的には、例えば図５に示すように、ＴＯＳＡ１５０の底部を構成する金属板１５１に光変調器１５４、光源１５５及びドライバ１５６が搭載される。このとき、高精度な位置合わせが必要とされる光学部品１５３は搭載されず、光源１５５と一体型の光変調器１５４及びドライバ１５６が、例えば銀−エポキシ系の導電性接着剤などによって金属板１５１に接着される。
ＴＯＳＡ１５０及びＲＯＳＡ１６０が作成されると、これらのＴＯＳＡ１５０及びＲＯＳＡ１６０は、基板１３０に実装される。すなわち、ＴＯＳＡ１５０は、光変調器１５４及びドライバ１５６を基板１３０の貫通孔１３０ａに挿入した状態で金属板１５１と基板１３０が接着されることにより実装される。一方、ＲＯＳＡ１６０は、金属板１６１が基板１３０の凹部１３０ｂの底面に接着されることにより実装される。また、基板１３０には、ＤＳＰ１４０及び他の電子部品１７０が例えばＳＭＴ（Surface Mount Technology）又はＢＧＡ（Ball Grid Array）などによって実装される。
具体的には、例えば図６に示すように、光変調器１５４及びドライバ１５６が基板１３０の貫通孔１３０ａの内部に配置されるように、金属板１５１の凸部が貫通孔１３０ａに嵌合し、金属板１５１が基板１３０に接着される。金属板１５１の基板１３０とは反対側の面には、放熱シート１５２が貼付される。そして、基板１３０の金属板１５１が接着される面には、ＲＯＳＡ１６０が実装されるとともに、ＤＳＰ１４０などの発熱部品が実装される。一方、基板１３０の金属板１５１が接着される面と反対側の面には、発熱量が小さい電子部品１７０が実装される。
このように、基板１３０の一方の面に、ＴＯＳＡ１５０の金属板１５１とＤＳＰ１４０などの発熱部品とが集めて実装され、基板１３０の他方の面に、発熱量が小さい電子部品１７０が集めて実装される。これにより、基板１３０の一方の面から効率的に放熱することができる。なお、ＴＯＳＡ１５０の光変調器１５４及びドライバ１５６は、基板１３０の貫通孔１３０ａの内部に配置されるが、これらの部品を保護するために、例えば図７に示すように、蓋部材１５８によって基板１３０の貫通孔１３０ａを含む領域を覆っても良い。
基板１３０にＤＳＰ１４０、ＴＯＳＡ１５０、ＲＯＳＡ１６０及び他の電子部品１７０が実装されると、光ファイバに接続されたフェルール及びレンズなどの光学部品１５３が金属板１５１に接着される。具体的には、光学部品１５３は、高精度に位置合わせされながら、例えば光硬化樹脂などの接着剤によって金属板１５１に接着される。
そして、ＤＳＰ１４０及び放熱シート１５２の露出する面にそれぞれ熱伝導部材２１０、２２０が配置され、各部品が実装された基板１３０が筐体１２０に収納される。このとき、熱伝導部材２１０、２２０は、筐体１２０の一面に接触する。これにより、光モジュール１００が完成する。
以上のように、本実施の形態によれば、金属板に搭載される部品を基板の貫通孔の内部に配置するようにＴＯＳＡを実装し、金属板の部品搭載面とは反対側の面と筐体との間に熱伝導部材を配置する。これにより、ＴＯＳＡの光変調器及びドライバにおいて発生する熱は、金属板及び熱伝導部材を経由して筐体まで伝達され放熱される。このため、光モジュールの放熱効率を向上することができる。また、光変調器又はドライバの表面と基板表面との高さを揃えることができ、光変調器又はドライバと基板とを接続するワイヤの長さを短くすることができる。結果として、電気信号の伝送特性劣化を抑制することができる。
なお、上記一実施の形態においては、金属板１５１に光変調器１５４及びドライバ１５６が搭載されてＴＯＳＡ１５０が形成されるものとしたが、ドライバ１５６は、金属板１５１ではなく基板１３０に実装されても良い。この場合、金属板１５１の厚さを調節することにより、光変調器１５４の表面の高さと基板１３０の表面の高さとを略同一にし、光変調器１５４の表面と基板１３０の表面とを接続するワイヤの長さを短くすれば良い。また、ドライバ１５６を基板１３０に形成された凹部に実装することにより、ドライバ１５６の表面の高さと基板１３０の表面の高さとを略同一にし、ドライバ１５６の表面と基板１３０の表面とを接続するワイヤの長さを短くしても良い。
上記一実施の形態においては、光源１５５と一体型の光変調器１５４を用いるものとしたが、光源１５５は、必ずしも光変調器１５４と一体化されていなくても良い。すなわち、金属板１５１に独立した光源１５５が搭載され、光変調器１５４は、この光源１５５が発する光を変調するようにしても良い。
１１０ プルタブ
１２０ 筐体
１３０ 基板
１３０ａ 貫通孔
１３０ｂ 凹部
１４０ ＤＳＰ
１５０ ＴＯＳＡ
１５１、１６１ 金属板
１５２ 放熱シート
１５３、１６２ 光学部品
１５４ 光変調器
１５５ 光源
１５６ ドライバ
１５７ ワイヤ
１６０ ＲＯＳＡ
１７０ 電子部品
２１０、２２０ 熱伝導部材

Claims (9)

  1. 筐体に収納され、貫通孔が形成される基板と、
    前記基板の貫通孔を含む領域に接着される金属板と、
    前記金属板の一方の面に搭載され、前記貫通孔の内部に配置される部品と、
    前記金属板の他方の面に配置され、前記部品において発生する熱を前記筐体まで伝達する熱伝導部材と
    を有することを特徴とする光モジュール。
  2. 前記部品は、
    光源が発する光を変調する光変調器と、
    前記光変調器によって変調されて得られる光信号を光ファイバへ送出する光学部品と
    を含むことを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
  3. 前記光変調器は、
    表面の高さが前記基板の表面の高さと略同一となるように前記貫通孔の内部に配置され、当該表面がワイヤによって前記基板の表面に接続される
    ことを特徴とする請求項２記載の光モジュール。
  4. 前記部品は、
    前記光変調器へ送信信号を供給するドライバ
    をさらに含むことを特徴とする請求項２記載の光モジュール。
  5. 前記ドライバは、
    表面の高さが前記基板の表面の高さと略同一となるように前記貫通孔の内部に配置され、当該表面がワイヤによって前記基板の表面に接続される
    ことを特徴とする請求項４記載の光モジュール。
  6. 前記基板は、
    前記金属板が接着される面に形成される凹部を有し、
    前記凹部に配置され、入力される光信号を電気信号に変換する光学部品
    をさらに有することを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
  7. 前記光学部品は、
    表面の高さが前記基板の表面の高さと略同一となるように前記凹部に配置され、当該表面がワイヤによって前記基板の表面に接続される
    ことを特徴とする請求項６記載の光モジュール。
  8. 前記基板の前記金属板が接着される面に配置され、発熱する発熱部品
    をさらに有することを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
  9. 前記基板の前記金属板が接着される面と反対側の面に配置され、前記発熱部品よりも発熱量が小さい電子部品
    をさらに有することを特徴とする請求項８記載の光モジュール。
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